半导体材料简析

半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电...



半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。

制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。常用的半导体材料的特性参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。

半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。晶体管对材料特性的要求 ：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。

光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生响应所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳电池来说，为了得到高的转换效率，要求材料有大的非平衡载流子寿命和适中的禁带宽度(禁带宽度于1.1至1.6电子伏之间最合适)。晶体缺陷会使半导体发光二极管、半导体激光二极管的发光效率大为降低。温差电器件对材料特性的要求：为提高温差电器件的转换效率首先要使器件两端的温差大。当低温处的温度（一般为环境温度）固定时，温差决定于高温处的温度，即温差电器件的工作温度。为了适应足够高的工作温度就要求材料的禁带宽度不能太小，其次材料要有大的温差电动势率、小的电阻率和小的热导率。

质控制的方法大多数是在晶体生长过程中同时掺入一定类型一定数量的杂质原子。这些杂质原子最终在晶体中的分布，除了决定于生长方法本身以外，还决定于生长条件的选择。例如用提拉法生长时杂质分布除了受杂质分凝规律的影响外，还受到熔体中不规则对流的影响而产生杂质分布的起伏。此外,无论采用哪种晶体生长方法,生长过程中容器、加热器、环境气氛甚至衬底等都会引入杂质，这种情况称自掺杂。晶体缺陷控制也是通过控制晶体生长条件（例如晶体周围热场对称性、温度起伏、环境压力、生长速率等）来实现的。随着器件尺寸的日益缩小，对晶体中杂质分布的微区不均匀和尺寸为原子数量级的微小缺陷也要有所限制。因此如何精心设计，严格控制生长条件以满足对半导体材料中杂质、缺陷的各种要求是半导体材料工艺中的一个中心问题。

相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，但随着芯片出货量增长，材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场所带来的阴影。按销售收入计算，日本保持最大半导体材料市场的地位。然而台湾、ROW、韩国也开始崛起成为重要的市场，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。

美国半导体产业协会(SIA)预测，2008年半导体市场收入将接近2670亿美元，连续第五年实现增长。无独有偶，半导体材料市场也在相同时间内连续改写销售收入和出货量的记录。晶圆制造材料和封装材料均获得了增长，预计今年这两部分市场收入分别为268亿美元和199亿美元。

日本继续保持在半导体材料市场中的领先地位，消耗量占总市场的22%。2004年台湾地区超过了北美地区成为第二大半导体材料市场。北美地区落后于ROW(RestofWorld)和韩国排名第五。ROW包括新加坡、马来西亚、泰国等东南亚国家和地区。许多新的晶圆厂在这些地区投资建设，而且每个地区都具有比北美更坚实的封装基础。

芯片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自硅晶圆。硅晶圆和光掩膜总和占晶圆制造材料的62%。2007年所有晶圆制造材料，除了湿化学试剂、光掩模和溅射靶，都获得了强劲增长，使晶圆制造材料市场总体增长16%。2008年晶圆制造材料市场增长相对平缓，增幅为7%。预计2009年和2010年，增幅分别为9%和6%。

半导体材料市场发生的最重大的变化之一是封装材料市场的崛起。1998年封装材料市场占半导体材料市场的33%，而2008年该份额预计可增至43%。这种变化是由于球栅阵列、芯片级封装和倒装芯片封装中越来越多地使用碾压基底和先进聚合材料。随着产品便携性和功能性对封装提出了更高的要求，预计这些材料将在未来几年内获得更为强劲的增长。此外，金价大幅上涨使引线键合部分在2007年获得36%的增长。

与晶圆制造材料相似，半导体封装材料在未来三年增速也将放缓，2009年和2010年增幅均为5%，分别达到209亿美元和220亿美元。除去金价因素，且碾压衬底不计入统计，实际增长率为2%至3%。

现在我就以我所学的二氧化钛半导体材料为例来具体介绍一下：二氧化钛的商品名称为钛白粉，从用途上区分为颜料用钛白粉和非颜料用钛白粉。钛白粉是重要的颜料，全世界消费的二氧化钛颜料占整个颜料总消费量的71 %左右。从晶型上区分为锐钛型(ANATASE TYPE)钛白粉和金红石型(RUTILE TYPE)钛白粉。目前世界二氧化钛消费量中金红石型占75～80%，锐钛型只占20～25%。我国的二氧化钛工业始于五十年代，八十年代中后期飞速发展，出口量不断增加，进口量不断减少，近年来已基本没有进口。

二氧化钛为白色粉末，无毒，化学性质非常不活泼，常温下几乎不与其它元素或化合物反应，对O2 、H2S、SO2 、CO2 、NH3等都是稳定的。不溶于水、脂肪酸、有机酸、弱无机酸，微溶于碱和热硝酸，只有在浓硫酸或氢氟酸中长时间煮沸才 可完全溶解。在高温下可被氢、氨、钛等还原成低价氧化钛。二氧化钛具有高消色力、高遮盖力、高反射率、低比重等优越的颜料性能，是白色颜料中最好的一种。

金红石型二氧化钛的晶格比锐钛型二氧化钛的晶格致密，比较稳定，具有较好的耐候性、耐水性和不易变黄，不粉化的特点，但白度稍低，适用于制造室外用颜料。锐钛型二氧化钛的晶格空间较大，相对不稳定，耐候性差，容易泛黄，容易粉化，但白度较高，适用于制造室内用颜料。锐钛型二氧化钛在915℃可转化为金红石型二氧化钛。二氧化钛作为白色颜料主要用于油漆工业，金红石型颜料用二氧化钛用于制造汽车用漆、船舶用漆和醇酸磁漆等室外用漆。

外用耐久性的塑料制品，也需要用金红石型二氧化钛来增加耐候性。金红石型二氧化钛也应用于油墨印刷行业中，锐钛型颜料用二氧化钛用于制造白色和浅色室内用油漆。锐钛型二氧化钛也广泛用作造纸、橡胶和塑料制品等的着色剂和填充剂。化学纤维用二氧化钛在合成纤维中用作消光剂，冶金用二氧化钛用于制作含钛耐高温合金，搪瓷用二氧化钛在瓷釉中用作乳浊剂，电焊条用二氧化钛用作电焊条药皮中的造渣剂和粘塑剂，电容器用二氧化钛是制造无线电陶瓷电容器的主要原料。

近年来二氧化钛的高附加值的应用在扩大，例如用于生产彩色相纸、医药、化妆品、食品添加剂、催化剂或催化剂载体等。二氧化钛在高科技技术领域有着一定的潜在用途，例如可以 作为光化学催化剂，彩色感光材料(利用它的光电泳性质)、杀菌剂、用海水制氢的水的光致分解剂、导电添加剂、吸附剂等。

二氧化钛是用来生产燃料电池中所需氢气的一种常用的光催化剂，是一种光活性材料。由于二氧化钛的带隙为3.2eV，只能吸收太阳光谱中的紫外部分，而这部分只占太阳光能量的5%左右，所以不能充分利用太阳能。半导体所科研人员提出的新掺杂方法，是利用第一性原理计算的理论分析，发现特殊的共掺杂施受主对，比如“钼碳共掺”形成的新的杂质带，能够充分吸收太阳的可见光部分，从而提高二氧化钛分解水的催化效率。

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